Roofs 2018-01-12 Welke bijdrage leveren dakmaterialen aan rookgasexplosies? (premium)

Bij een gebouwbrand is het gevaar op rookgasexplosies reëel. De gevaarzetting is groot, ook omdat niet precies bekend is waar dit type explosies door ontstaat. Een theorie is dat materialen die in de dakconstructie zijn verwerkt bijdragen aan het ontstaan van rookgas­explosies. Cindy Veerman onderzocht dit scenario voor haar afstudeer­-scriptie aan de Saxion Hogeschool en won er de IFV-VVBA Scriptieprijs mee. In dit artikel een overzicht van het onderzoek en de conclusies.

Cindy Veerman, Efectis Nederland

‘Brandweermannen gewond na explosie!’ Een onvoorziene rookgasexplosie zorgt voor gewonden bij een brand in Schiedam. Al jaren vinden dit soort explosies plaats bij branden. De gevaarzetting rondom dit fenomeen heeft al vele mensen tot onderzoek gedreven. In een gesprek met een brandonderzoeker van de brandweer komen de zorgen omtrent rookgasexplosies naar voren. De situaties zijn erg gevaarlijk, omdat naast de onbekende oorzaak ook de signalen van een naderende rookgasexplosie niet worden herkend. Toch is er nog geen eenduidige oorzaak voor deze onvoorziene rookgasexplosies gevonden.

Een uitgelezen kans om het onderzoek binnen mijn afstudeerproject bij Efectis te richten op de invloed die bouwmaterialen kunnen hebben op het ontstaan van rookgasexposies. Het is een onderwerp dat leeft in de sector van brandbestrijding en brandveiligheid. Dat is één van de redenen waarom de IFV-VVBA scriptieprijs2 is toegekend aan dit onderzoek. Het doel van dit onderzoek is het bepalen van de mogelijke bijdrage van vier bouwmaterialen in de dakconstructie aan rookgasexplosies. Andere die kunnen bijdragen aan het ontstaan van een rookgasexplosie, bijvoorbeeld de inventaris van een gebouw, vallen buiten de grenzen van dit onderzoek. Ook de precieze rol van de brandcompartimentering en de grootte van een gebouw vallen buiten deze grenzen. Uit de selectie van onderzochte materialen blijken vooral bitumen en EPS een bijdrage te kunnen leveren. Tijdens de uitgevoerde simulatie konden de pyrolysegassen van bitumen worden ontstoken en ontstond uit de pyrolysegassen van EPS een rookgasexplosie.

Het onderzoek

De hoofdvraag van het onderzoek luidde als volgt: “Welke in­vloed heeft de thermische ontleding van bitumen dakbedekking en dakisolatiematerialen op het ontstaan van rookgasexplosies?”. Om tot een antwoord op deze vraag te komen, zijn vier experimenten uitgevoerd, namelijk:

• Optische analyse van het pyrolyseproces van de materialen
Dit experiment diende voor het creëren van een brand­residu en het optisch beoordelen van het pyrolyseproces van de bouwmaterialen. De materialen werden individueel in een kleine, gesloten oven blootgesteld aan een oplopende temperatuur. Tijdens dit proces werden de gedragingen en kenmerken van het materiaal en de rook genoteerd.

• Chemische analyse (pyro-GC/MS analyse) van de pyrolysegassen
Voor de analyse van de pyrolysegassen van de materialen werd de samenstelling van de pyrolysegassen met behulp van pyrolyse-GC/MS bepaald. De temperatuurselectie, 350°C en 600°C, is gekozen aan de hand van de thermische eigenschappen van de materialen. Bij deze temperaturen vormen alle materialen pyrolyseproducten.

• Indicatieve simulatie van rookgasexplosies
Tijdens de simulatie werd met behulp van een schematisch modelgebouw (afbeelding 1) onderzocht of rookgasexplosies met de bouwmaterialen zijn te simuleren. Tijdens deze simulaties werd de temperatuur van de compartimenten en de gassen gemeten. Op deze wijze werden ook kleinere en niet zichtbare verbrandingen geregistreerd. Om de invloed van rookgasproductie van andere materialen dan het monster uit te sluiten, werd het modelgebouw vervaardigd uit onbrandbaar bouwmateriaal en werd er gebruik gemaakt van een directe gasvlam.

• Chemische analyse (FTIR-spectroscopie) brandresiduen
De oorsprong van brandresiduen is optisch niet altijd te beoordelen. De brandresiduen uit het eerste en derde experiment werden daarom in dit laatste experi-ment chemisch geanalyseerd met behulp van FTIR-spectroscopie.

Ter verbetering van de risicoanalyse bij branden werd naast het uitvoeren van de experimenten ook aandacht besteed aan de signalering van aankomende rookgasexplosies.

Resultaten

Optische analyse pyrolyseproces

Tijdens de optische analyse van de bouwmaterialen is gebruik gemaakt van een afgesloten, kleine keramische oven. De gedragingen van de verschillende materialen liepen uiteen. PIR en PUR lieten een overeenkomend beeld zien, waarbij blauwe rook en een (aan het oppervlak) verkoold brandresidu geproduceerd werden. Uit bitumen kwam veel rook vrij, welke eerst blauw van kleur was en boven 488°C geel van kleur was. Het materiaal was gedurende de verhitting gedeeltelijk versmolten en vloeibaar. De rook kwam bij 550°C tot ontbranding. Bij de verhitting van het EPS monster werd boven 400°C veel gele rook waargenomen. Daarnaast vond bij 478°C een explosie plaats in het oventje. Er werd géén brandresidu aangetroffen.

Chemische analyse pyrolysegassen

Voor de chemische analyse van de pyrolysegassen van de materialen is gebruik gemaakt van pyro-GC/MS analyse. Uit deze analyse zijn de verschillende componenten in de pyrolysegassen van de betreffende monsters bekend geworden. Met behulp van Le Chartelier’s formule werd de LEL en UEL van de mix van de componenten in de pyrolysegassen van de monsters bekend. Met behulp van de vergelijking van Bodurtha is de verandering van de LEL en UEL bij de temperaturen vastgesteld. De resultaten zijn samengevat in tabel 2.

Over het algemeen vergroot het brandbare deel van de ­pyrolysegassen naarmate de blootstellingstemperatuur van het materiaal hoger wordt. Bij PUR wordt echter het tegenovergestelde waargenomen.

De simulatie

De resultaten van de simulatie waren gedeeltelijk overeenkomend met de resultaten van de verhitting van de materialen in de keramische oven. Ook in deze opzet is er met de materialen PIR en PUR geen rookgasontbranding of –explosie gesimuleerd. Een opmerkelijk verschil bij de verhitting van het bitumenmonster was de zichtbaarheid van de rook. Tijdens de simulatie was niet of nauwelijks rook zichtbaar. Wel konden de rookgassen van het bitumenmonster herhaaldelijk worden ontstoken met een externe ontstekingsbron, in dit geval een aansteker (afbeelding 2). De rook van het EPS monster was wel zichtbaar en veroorzaakte zelfs twee explosies gedurende de simulatie (afbeelding 3).

Chemische analyse brandresiduen

Tijdens de brand in Schiedam is een vettig/ olieachtig laagje aangetroffen in het pand waar de explosie heeft plaatsgevonden. Bij het uitvoeren van de indicatieve simulatie is eenzelfde soort brandresidu ontstaan. Met behulp van ­FTIR-analyse zijn deze brandresiduen vergeleken met elkaar en met de materialen van dit onderzoek. Beide residuen, zowel van de brand in Schiedam als van de indicatieve simu­latie, zijn afkomstig van bitumen dakbedekking.

Signalering rookgasexplosies

Met behulp van informatie, welke beschikbaar is uit verschillende casussen en informatie voortvloeiend uit de experimenten, werden de signalen van een aankomende rookgasexplosie in kaart gebracht. Deze zijn als volgt:

• Brand in een gebouw met meerdere ­brandcompartimenten (BC);
• Een volledig ontwikkelde brand in één van de BC;
• Lichte rookontwikkeling in een ander BC, waarin (of dichtbij) de explosie plaats zal vinden;
• Soms laaghangende of als waterval verschijnende ­‘separate’ (gele) rook met een andere richting dan ­primaire rookpluim, wat duidt op koude rook;
• Kunststof dakisolatiemateriaal en/of bitumen dakbedekking;
• Olieachtig en/of vettig residu voorafgaand aan en/of na explosie.

Conclusie

De hoofdvraag van dit onderzoek is ‘Welke invloed heeft de thermische ontleding van bitumen dakbedekking en dak­isolatiematerialen op het ontstaan van rookgasexplosies?’ Vanuit de resultaten van de experimenten die zijn uitgevoerd in dit onderzoek komen de volgende conclusies naar voren:

Alle onderzochte materialen produceren brandbare pyrolyseproducten, echter niet allemaal in dezelfde verhouding. Uit eerder onderzoek blijkt dat het massaverlies van PUR en PIR bij verhitting veel lager ligt dan het massaverlies van EPS. De rookgasproductie is hier direct aan gerelateerd. In de optische beoordeling van de pyrolyseprocessen is terug te zien dat PUR en PIR minder rook produceren dan EPS en bitumen.

De resultaten van de indicatieve simulaties laten zien dat de pyrolyseproducten van EPS een spontane rookgasexplosie kunnen veroorzaken. Voorafgaand hieraan is rook waar te nemen. De pyrolyseproducten van bitumen geven een minder snelle, niet explosieve verbranding. Een belangrijk detail is dat de rook van bitumen onzichtbaar bleef. Zowel EPS als bitumen hebben invloed op het ontstaan van een rookgasexplosie. EPS en bitumen worden vaak in combinatie toegepast in dakconstructies. Het is mogelijk dat de vermenging van de pyrolyseproducten van beide materialen het risico op en gevaar van een rookgasexplosie verhogen, maar dat is niet onderzocht.

Het vloeibare olieachtige residu dat vaak gezien wordt na een rookgasexplosie is afkomstig van bitumen. Mogelijk wordt dit gevormd door condensatie van de rook. Dit geeft een verklaring voor de afwezigheid van rook bij de simulatie met het bitumenmonster.

Omdat randvoorwaarden zoals de grootte en de kwaliteit van de brandcompartimentering van een gebouw, de invloed van pyrolysegassen van de inventaris en andere belangrijke factoren buiten de grenzen van dit onderzoek vallen, zal vervolgonderzoek plaats moeten vinden om het precieze aandeel van de pyrolysegassen van de geteste materialen op het ontstaan van rookgasexplosies vast te stellen.